如何改进嵌入式系统的电池寿命

我们的电池供电世界

我们可能会认为，偶尔更换家中使用的无线连接恒温器或安全传感器中的电池只会带来某些轻微的不便。但这些只需几分钟，而且花费很少。在大多数情况下，设备会通过智能手机应用程序提醒我们电池需要更换。对于烟雾报警器等用于保护我们的设备，这些提醒可以帮助我们保持传感器的正常运行，并防止宕机发生。

但是，如果需要为位于多个远程站点的数百个工业传感器更换电池，尽管更换每个电池只需几分钟，但开车到各个具体位置、找到特定传感器，然后再转移到下一个传感器会是一项成本高昂的全职任务。众所周知，“卡车上门服务(truck roll)”已成为任何 IIoT 部署的一个隐含的且成本高昂的挑战。

为了减轻频繁更换电池带来的影响，电池供电设备制造商需要了解他们的产品在运行期间的电力消耗特性，有了这些信息，就可以计算出可能的电池寿命。这种方法也是用其它可用能源替代电池的重要第一步。

这其中一个例子是采用能量收集技术并将能量存储在超级电容器中，而潜在的可用能源包括振动、太阳能和热能等。深入检查设备的功耗曲线和占空比将能够确定是否可以收集和存储足够的能量以保证设备正常运行。

典型电池供电传感器架构

图 1 展示了一个无线连接、电池供电温度和湿度传感器的功能架构示例，它是可用于测量和报告各种环境参数的许多 IoT/IIoT 设备的典型架构。

图 1：典型 IoT/IIoT 传感器的简化功能架构。 (来源：贸泽电子)

传感器运行涉及通过以下步骤对微控制器 (MCU) 进行工作排序：

● 从睡眠状态唤醒

● 请求传感器元件的温度和湿度读数

● 将传感器数据打包成消息协议格式

● 无线收发器发起与无线接入点的连接

● 将数据传输到主机系统

● 使整个设备进入睡眠状态

电池电源的功率调节和转换是通过使用电源管理 IC (PMIC) 实现，附加电路提供电压和电流测量，所得数据可以与传感器数据一起打包传输到主机应用程序中。

高集成度片上系统 (SoC) 无线微控制器通常包含图 1 中突出显示的大部分功能。Nordic Semiconductor nRF9160 蜂窝系统级封装 (SiP) 就是一个例子，请参见图 2。

图 2：Nordic Semiconductor nRF9160 高集成度蜂窝无线收发器微控制器 SiP。(来源：Nordic Semiconductor)

完成一个设计只需传感器和相关的信号调理组件。nRF9160的数据表重点介绍了微控制器和无线收发器在不同睡眠模式下的各种功耗参数。图 3 显示了 MCU 在不同状态下的典型电流消耗，其值范围在0.1～600 µA范围内。

图 3：Nordic Semiconductor nRF9160 MCU 在不同睡眠模式下的电流消耗。(来源： Nordic Semiconductor)

无线收发器可独立控制，因而可在一定范围内管理其功耗特性。例如，嵌入式固件可以确保仅在需要时启用无线收发器。一些 MCU 外设可以在该操作期间进入睡眠状态，从而降低整体功耗。

功耗测量挑战以及可用资源

估算传感器的电池寿命需要仔细分析设备的电流消耗。一旦建立了平均消耗基准，开发团队即可以尝试各种方法来提高预期的电池寿命。这些技术可能涉及：

● 仔细排序MCU 和无线收发器

● 在不需要时关闭外围设备

● 更改设备占空比

● 尝试不同的睡眠模式

● 不处理数据时减慢MCU 时钟

然而，以如此高的动态范围准确测量电流非常复杂，且超出了典型台式数字万用表 (DMM) 的范围。

电流通常通过测量分流电阻器上的电压降并通过使用欧姆定律计算。分流电阻器上的电压降(称为负载电压)降低了负载提供的电压。对于可识别、准确的低 µA 电流测量，负载电压需要足够高，以便 DMM 进行测量，但又不能将电源降低到导致被测设备 (DUT) 出现不稳定的程度。 DUT工作时的动态特性使情况更加复杂，会立即从低 µA 值变为 mA 值。对于 1.8V 或 3.3V 的典型 SoC 电源轨，负载电压的动态变化会导致 DUT 在运行期间出现欠压复位。

一些精密数字万用表可满足这一特定要求。然而，这些昂贵的设备在运行期间使用继电器开关来改变分流电阻值，但其中所涉及的时间，即使是固态开关，也会导致测量细节和准确性的损失。

为了应对高动态电流范围的测量挑战，制造商开发了功率分析工具来实时准确测量和记录功耗。示例包括 Nordic Power Profiler Kit 2 (PPK) 和 Qoitech Otti Arc.。

Power Profiler Kit 2

USB 供电的 Nordic Semiconductor Power Profiler Kit 2测量能力范围为 200nA ～ 1A，与测量范围相关的分辨率介于 100 nA 和 1 mA 之间。它可以在提供 DUT 电压的源模式下运行，也可以在纯粹测量电流的安培表模式下运行。 Power Profiler Kit 2提供从 0.8VDC 到 5V 的软件可配置输出，最大电流为 1A。

图4：Nordic Semiconductor的 Power Profiler Kit 2。 (来源：Nordic Semiconductor)

PPK的实时电流测量能力为 100 kS/s，并可在五个电流测量范围之间自动切换，以保持最佳分辨率。

基于 PC 的 Nordic Power Profiler 应用程序能够连接到 PPK，并提供配置 PPK 和记录测量数据的接口。图 5 展示了一个测量示例实时屏幕截图。

图 5：执行实时电流测量的 Power Profiler 应用程序屏幕截图。(来源：Nordic Semiconductor)

将采样分辨率从 100 kS/s 降低到 1 S/s时，最大记录周期可从 7 分钟延长到 500 天。

PPK2 还具有一组数字 GPIO 引脚，适用于连接到 DUT 以实现序列控制功能或连接到逻辑分析仪，以使电流测量与 DUT 应用代码同步。

Qoitech Otti

Qoitech Otti Arc(参见图 6)是一款紧凑、便携和多功能的功率分析仪，能够测量 8 个数量级，分辨率高达 50nA，从几十nA到 5A。

图 6：Qoitech Otti Arc 精密低电流测量单元。(来源：Qoitech)

Otti Arc 可以配置为恒压源或恒流源以及电流吸收器。电流吸收器能够提供一种模拟和分析不同电池和应用场景的方法，最大电流为 2.5A。Arc 的采样率为 4kS/s。它可以由主机 USB 端口或外部电源供电。

Otti Arc 软件包含配置电流测量源和接收器操作以及记录 DUT 电流消耗的所有功能。图 7 所示为一个示例屏幕截图。时间轴允许增加电流读数的粒度，平均电流曲线值显示在屏幕顶部。

图 7：Otti Arc 桌面软件可支持 Ubuntu Linux、Microsoft Windows 和 Apple macOS。(来源： Qoitech)

前面板提供 GPIO 引脚，用于跟踪逻辑状态和控制 DUT 操作以进行分析。

对您的设计进行功率分析

为了最大限度地延长电池寿命，需要充分了解设备的功耗特性。设备所消耗的平均电流能够帮助估算电池寿命，但峰值会严重影响常规操作期间的平均值。在开始优化设备的固件之前，需要通过设备操作的完整周期建立电流消耗的特性模型。本文重点介绍的两个设备可以准确测量具有高动态范围的极低电流值，它们可以根据设备固件的同步时间轴记录和绘制测量数据。有了这些详细信息，嵌入式开发人员和硬件工程师就可以开始检查代码以发现降低电流峰值的最好时机。